高钢级螺旋埋弧焊管补焊工艺研究

常永乐， 杨 军， 权 勇

（1.西安石油大学 材料科学与工程学院，西安710065；2.国家石油天然气管材工程技术研究中心，陕西 宝鸡721008；3.宝鸡石油钢管有限责任公司，陕西 宝鸡721008）

高钢级螺旋埋弧焊管补焊工艺研究

常永乐1,3， 杨 军2,3， 权 勇3

（1.西安石油大学 材料科学与工程学院，西安710065；2.国家石油天然气管材工程技术研究中心，陕西 宝鸡721008；3.宝鸡石油钢管有限责任公司，陕西 宝鸡721008）

为了分析L555M钢级Φ1 219 mm×16 mm螺旋埋弧焊管补焊焊缝的性能，采用夏比冲击试验、显微硬度分析、焊缝全壁厚弯曲和拉伸试验对补焊焊缝的性能进行了对比研究。结果表明，J557低合金钢焊条和开发的补焊工艺完全适合于L555M钢级螺旋埋弧焊管焊缝缺陷的手工修补，且补焊焊缝各项性能均达到标准要求。补焊焊缝表层熔敷金属微观组织为先共析铁素体（PEF）+针状铁素体（AF）+少量珠光体（P），随着熔深的增加，组织转变为粗大PF+少量P。

螺旋埋弧焊管；高钢级；补焊；微观组织

随着能源需求的不断增长，油气管道的输量和运输距离不断增加，管道建设越来越多地使用到大直径、高强度、高韧性的管线钢管[1]。高强度管线钢在我国近20年得到了飞速发展，在包括原料成分设计、冶炼和轧制及焊管制造等技术方面日益完善[2]，并在内、外焊热循环[3]、焊管止裂能力[4]、焊接热影响区脆化[5]等方面进步明显，尤其在焊管制造生产中，焊缝缺陷的检测、控制和修补等均得到了长足发展。

钢管焊接过程常见缺陷主要有：烧穿、焊偏、未焊透、未熔合、气孔、夹渣、咬边、断弧等[6]。这些焊接缺陷的存在对管道安全构成了极大威胁。生产中，需要按照API SPEC 5L《管线钢管规范》[7]对管道焊缝进行逐根检测，一旦发现焊缝缺陷，则需严格按照产品标准及补焊工艺要求进行补焊处理。

本研究采用J557焊条和设计的补焊工艺方案对L555M钢级Φ1 219 mm×16 mm螺旋埋弧焊管焊缝缺陷进行补焊，并对补焊焊缝进行-20℃夏比冲击试验、显微硬度分析、导向弯曲和拉伸试验研究，为该螺旋缝埋弧焊管的批量化、规模化生产提供补焊工艺理论基础和条件。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

试验用钢管为L555M钢Φ1 219 mm×16 mm螺旋缝埋弧焊管，焊接工艺参数及焊材见表1。在焊缝缺陷位置从外焊缝经专业碳弧气刨，将缺陷完全刨除并形成10～14 mm深的“U”形凹槽，形状参数如图1和表2所示。补焊用焊条为J557低氢型低合金钢焊条，采用松下YD-630SS型焊机设备，电源极性为直流反接，焊接参数见表3。补焊操作过程完全由同一位焊工独立完成，补焊时将待补沟槽置于11点位置，采用上坡焊， 倾斜角 β＜6°。

表1 L555M钢级Φ1 219 mm×16 mm螺旋缝埋弧焊管焊接工艺参数

图1 焊缝缺陷刨槽形状

表2 焊缝缺陷刨槽参数

表3 补焊焊接工艺参数

1.2 试验方法

在焊缝补焊处取样，分别进行力学性能检测和显微组织分析。

（1）夏比冲击试验按照GB/T 229—2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》进行，采用10 mm×10 mm×55 mm的V形缺口夏比冲击试样，缺口夹角45°，在NAI500F摆锤式冲击试验机上进行。低温控温介质采用无水乙醇和液氮混合物，试样在规定温度溶液中保温15 min以上，以保证试样表面与内部温度一致，试验温度为-20℃。

（2）拉伸试验在WAW-2000型微机控制电液伺服万能材料试验机上进行，横向垂直于补焊焊缝取板状拉伸试样，试样标距内宽38.1 mm，标距段长50 mm，厚度为16 mm。

（3）导向弯曲试验在CSS-88100万能材料试验机上进行。试样长度大于200 mm，宽度38 mm，边角倒棱处理，弯轴直径A不大于（1）式[6]。式（1）中的1.15为尖峰系数。计算结果（圆整至1 mm），加载方向垂直于焊缝，加载速度为1 mm/min。两支辊间的距离=A+2t+3.2 mm，弯曲角度为180°。导向弯曲试验符合API SPEC 5L及ASTM A370标准要求。

式中：D—焊管规定外径，mm；

t—焊管规定壁厚，mm；

ε—应变值。

（4）焊缝显微硬度试验采用司特尔Durascan-70型显微维氏硬度计，按照图2测试点进行，加载载荷为10 kg。

（5）焊缝组织形貌采用Olympus GX71金相显微镜观察，腐蚀液为4%硝酸酒精溶液。

图2 焊缝硬度测试点分布

2 结果及讨论

2.1 低温冲击韧性

表4给出了手工电弧补焊焊缝和埋弧焊缝-20℃下的冲击功。由表4可知，在-20℃下，6组试样补焊焊缝冲击功均低于原埋弧焊缝，这可能与补焊过程热循环作用有关。由于补焊焊缝采用多层熔敷，且每层熔敷填充均会造成下层和刨槽边部材料组织受高温热影响，容易导致组织粗大，降低焊缝韧性。补焊焊缝冲击功最小单值和平均值分别为78 J和106.5 J，原埋弧焊缝冲击功最小单值和平均值分别为109 J和147.5 J，两种焊缝低温冲击功均满足CDP-S-NGP-PL-012-2011-2《天然气管道工程螺旋缝埋弧焊管技术条件》的标准要求（单值≥80 J，平均值≥100 J）。试验结果表明，该补焊工艺下的焊缝低温冲击韧性性能可靠。

表4 -20℃下两种焊缝冲击功对比

2.2 拉伸和弯曲性能

表5是手工电弧补焊焊缝和原埋弧焊缝拉伸、导向弯曲试验结果。图3是两种焊缝抗拉强度柱状图及弯曲试验照片。根据标准CDP-S-NGP-PL-012-2011-2要求，L555M钢级Φ1 219 mm×16 mm螺旋埋弧焊管焊缝的抗拉强度Rm≥625 MPa。通过比较发现，补焊焊缝和原埋弧焊缝均满足标准要求，且两种焊缝抗拉强度值相差不大。补焊焊缝和原埋弧焊缝正、反180°弯曲均符合标准要求， 拉伸面无裂纹（见图 3（c））。

表5 焊缝拉伸、导向弯曲试验结果

图3 焊缝抗拉强度柱状图及弯曲试验照片

2.3 显微硬度比较

手工电弧补焊焊缝和原埋弧焊焊缝横截面显微硬度见表6，显微硬度分布情况如图4所示。由表6和图4可以看出，两焊缝显微硬度分布变化趋势相似，均呈现波浪式交互起伏变化，波动范围在214～250 HV10，无明显差异，均复合标准要求。

表6 焊缝显微硬度检测结果

图4 两种焊缝显微硬度分布

综合考虑各影响因素，采用J557焊条及表3中补焊工艺参数，对L555M钢级Φ1 219 mm×16 mm螺旋埋弧焊管焊缝内裂纹、气孔、夹渣等缺陷进行修补，完全可行，焊缝修补质量可靠。

2.4 补焊焊缝微观组织特征

图5为补焊焊缝横截面宏观照片和各层显微组织形貌。根据补焊填充过程先后顺序及焊缝横截面腐蚀情况，将焊缝补焊区域从下至上分为5层。第1层为打底焊，2～4层为填充焊，第5层为盖面焊。图5（b）为第1道次打底焊，微观组织为多边形铁素体（PF）+珠光体（P）。第1道次打底焊，一般热输入较低，热传导速率较快，熔池能迅速凝固，但在后续多道次焊接热影响下，大量PF生成，同时伴有P的生成。图5（c）为第2道次焊接，微观组织与图5（b）中相似，仍为PF+P，但PF有一定程度长大，且趋势明显。图5（d）为第3道次焊接，由于受多重热循环作用，显微组织已转变成为粗大PF+少量AF+少量P，且PF占主导。图 5（e）和图 5（f）分别为第 4道次填充焊和第5道次盖面焊，焊缝显微组织特征较为相似，为粗大的先共析铁素体（PEF）+针状铁素体（AF）+少量P。由于靠近外层，散热和热传导速率较大，与大气环境接触面积最大，使熔池在短时间迅速凝固，为AF的生成提供了条件，但在下层焊接热作用下，PEF有一定程度长大，故而形成了高钢级管线钢常见的以AF为主导的典型粗大PEF+AF+少量P组织形态特征。

图5 补焊焊缝宏观照片和各层显微组织

AF主要是由细小铁素体板条束加片状M-A组元形成，具有精细亚单元和高的位错密度，有效晶粒尺寸较其他组织更细小[8-9]，且互相交错、咬合的组织形态在抵抗裂纹萌生和扩展上作用显著[10]，宏观表现出优良的低温韧性性能。因此，合理设计焊接工艺参数、精确控制层间温度、恰当选用焊材匹配及熟练操作技能等，以此得到以AF为主导的与螺旋埋弧焊缝性能相当的补焊焊缝，确保补焊焊缝的强韧性和整根钢管的质量，有效提高了L555M钢级Φ1 219 mm×16 mm螺旋埋弧焊管产品的成材率，在批量化、规模化生产中发挥了重要作用。

3 结 论

（1）经过对补焊焊缝和螺旋埋弧焊缝力学性能比较分析，证实了采用规格为Φ4.0 mm，牌号为J557的低氢型低合金钢焊条和设计的补焊工艺参数用于L555M钢级 Φ1 219 mm×16 mm螺旋埋弧焊管焊缝缺陷修补的正确性，补焊焊缝各项力学性能与原螺旋埋弧焊缝性能相当，确保了焊管生产质量和安全可靠性。

（2）合理设计补焊工艺参数、正确选用焊材匹配、加强补焊操作技能等是高钢级螺旋埋弧焊管焊缝缺陷修补的基础性研究工作，使补焊焊缝盖面焊区域显微组织主要为AF，填充焊区域微观组织为粗大PF+少量AF+少量P，而打底焊区域为PF+P组织特征。针状铁素体组织是确保补焊焊缝强韧性的关键。

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Investigation on the Repair Welding Process of High Grade SAWH Pipe

CHANG Yongle1,3,YANG Jun2,3,QUAN Yong3
（1.School of Materials Science and Engineering,Xi’an Shiyou University,Xi’an 710065,China;2.Chinese National Engineering Research Center for Petroleum and Natural Gas Tubular Goods,Baoji 721008,Shaanxi,China;3.Baoji Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Baoji 721008,Shaanxi,China）

The performance of repair welding seam of L555M steel grade Φ1 219 mm×16 mm SAWH pipe were comparatively investigated by V-notch Charpy impact toughness test,microhardness test,full thickness bending and tensile test.The results indicated that the low alloy steel welding rod with J557 brand and the developed repair welding process are completely suitable for weld defects manual repair of L555M steel grade SAWH pipe,and all the performance of the repair welding seam can meet the standard requirements.The microstructure of weld surface of deposited metal consist of proeutectoid ferrite（acronym PEF）+acicular ferrite（acronym AF）+a small amount of pearlite（acronym P）,with increasing weld penetration,microstructure transformation for coarse PF+a small amount of P.

SAWH pipe;high grade steel;repair welding process;microstructure

TG407

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.07.012

常永乐（1984—），男，工程师，在读西安石油大学材料科学与工程专业硕士，主要从事SSAW钢管质量管理工作，主要研究方向为SSAW钢管的工艺控制与技术管理。

2016-04-12

李 超